基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的軟PLC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

（西南科技大學(xué) 信息學(xué)院特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng) 621010）

0 引言

隨著傳統(tǒng)PLC在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，逐漸表現(xiàn)出一些弊端：例如，不同品牌、不同型號(hào)的產(chǎn)品不能夠相互兼容；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封閉，用戶不能添加或改變其功能；各廠家編程語(yǔ)言各不相同，使用人員需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期專業(yè)化學(xué)習(xí)。以上問(wèn)題制約著傳統(tǒng)PLC的發(fā)展，但隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展以及IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，涌現(xiàn)出了一種基于計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC功能的軟PLC技術(shù)。相對(duì)傳統(tǒng)PLC，軟PLC具有開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理能力、友好人機(jī)界面及便于操作等優(yōu)點(diǎn)[1]。

本系統(tǒng)采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，同時(shí)遵循可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將常用的程序功能分解為若干小模塊，并對(duì)每個(gè)小模塊加以封裝；支持自頂向下和自底向上兩種開(kāi)發(fā)方式；該標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的編程系統(tǒng)獨(dú)立于具體的目標(biāo)系統(tǒng)，可以最大限度實(shí)現(xiàn)在不同的PLC目標(biāo)系統(tǒng)中運(yùn)行；提供多種編程語(yǔ)言，包括三種圖形化語(yǔ)言和兩種文本化語(yǔ)言，給程序編制人員提供更多的選擇[2]。

1 軟PLC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的功能模塊

開(kāi)發(fā)系統(tǒng)主要由編輯模塊、項(xiàng)目管理模塊、仿真模塊、通信模塊和編譯模塊組成。編輯模塊即梯形圖編輯器，主要功能包括梯形圖圖元的繪制、編輯、保存和讀取以及注解、邏輯檢查；編譯模塊進(jìn)行梯形圖到指令表的轉(zhuǎn)換以及由指令表編譯生成目標(biāo)代碼；仿真模塊進(jìn)行元件的測(cè)試、跟蹤調(diào)試、狀態(tài)監(jiān)控；通信模塊作為開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)的連接樞紐，實(shí)現(xiàn)它們之間信息交換[3]。軟PLC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)模塊如圖1所示。

圖1 軟PLC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)模塊

2 編輯模塊

2.1 梯形圖編輯界面的設(shè)計(jì)

編輯界面是系統(tǒng)與用戶交互的窗口，不但可以編寫(xiě)程序，而且還可以利用該界面將編寫(xiě)好的程序送到存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)可以進(jìn)行檢查、調(diào)試和修改程序，監(jiān)控程序的運(yùn)行情況，通過(guò)外圍硬件調(diào)入及顯示保護(hù)裝置的狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)接口與CPU聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。

本開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的梯形圖編輯界面利用VC++中MFC的文檔/視圖結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)中的文檔負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的維護(hù)和管理，視圖用來(lái)顯示。該編輯界面不但具有標(biāo)準(zhǔn)Windows環(huán)境下的標(biāo)題欄、工具欄、菜單欄、狀態(tài)欄，而且具有針對(duì)編程環(huán)境所設(shè)計(jì)的梯形圖繪制區(qū)和梯形圖元件工具箱。梯形圖繪制區(qū)域左邊框輸出為左母線，右邊框輸出為右母線，畫(huà)布被劃分成9行、16列，用黑色小點(diǎn)進(jìn)行劃分。用戶可以根據(jù)程序大小，設(shè)置畫(huà)布的大小，本編輯界面最大支持100行、16列。梯形圖編輯界面如圖2所示。

圖2 梯形圖的編輯界面

2.2 梯形圖的圖元設(shè)計(jì)

梯形圖的圖元由可編輯屬性的圖形符號(hào)構(gòu)成，是輸入、輸出繼電器等器件的抽象表示形式。隨著PLC控制對(duì)象的復(fù)雜化，控制功能的具體化，梯形圖的圖元種類越來(lái)越多。因此，需要考慮如何應(yīng)對(duì)梯形圖的圖元種類繁多這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，可以把圖元?jiǎng)澐殖刹煌N類，通過(guò)提取共同特征，利用C++語(yǔ)言的封裝性、繼承性和多態(tài)性，構(gòu)建一個(gè)圖元的基類，通過(guò)類的繼承和擴(kuò)展派生出具有不同特性的指令圖元[4]。圖元由結(jié)構(gòu)定義、繪制生成方法和基本屬性三部分構(gòu)成。圖元結(jié)構(gòu)定義為：

繪制某個(gè)圖元時(shí)，用戶首先用鼠標(biāo)選中要繪制的元件，然后在編輯區(qū)選中元件放置的位置，最后單擊鼠標(biāo)的左鍵就可以完成繪制。其中具體的繪制流程如圖3所示。

圖3 圖元繪制過(guò)程

不同的圖元具有一些相同屬性或功能，例如圖元的類型、大小、名稱、使用說(shuō)明，此外還有復(fù)制功能、顯示功能、保存及參數(shù)設(shè)置等功能。因此定義圖元屬性結(jié)構(gòu)基本上包括位置信息、接口信息、連接信息。圖元的位置信息規(guī)定圖元在編輯界面中的位置參數(shù)。接口信息規(guī)定圖元的線性、線寬、顏色、文本輸入等[5]。連接屬性描述各圖元元件屬性與接口數(shù)據(jù)及表達(dá)式的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立連接后可以進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)傳遞，從而實(shí)現(xiàn)圖元屬性和外觀的改變。

2.3 梯形圖的存儲(chǔ)

梯形圖是由圖元按一定規(guī)則組合而成，圖元之間不但存在位置關(guān)系還存在邏輯關(guān)系，如何正確描述并保存圖元之間的位置和邏輯關(guān)系是梯形圖編輯模塊中要的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，梯形圖程序是由若干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)由若干行構(gòu)成，行由若干圖元組成。梯形圖編輯是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，網(wǎng)絡(luò)、行數(shù)和圖元均不確定，因此梯形圖的存儲(chǔ)需要?jiǎng)討B(tài)分配存儲(chǔ)空間。根據(jù)該特點(diǎn)考慮采用鏈表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。除此之外，梯形圖編輯過(guò)程常常進(jìn)行刪除、插入、剪切、復(fù)制等操作，這些操作使用指針可以方便地完成。雙向鏈表是環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以從任意結(jié)點(diǎn)遍歷整個(gè)鏈表。在雙向鏈表中，每個(gè)結(jié)點(diǎn)包括三個(gè)域，分別是data（數(shù)據(jù)域）、next（后繼結(jié)點(diǎn)指針）和prior（前繼結(jié)點(diǎn)指針）。雙向鏈表結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用行雙向鏈表對(duì)梯形圖每行進(jìn)行存儲(chǔ)，head指針是頭指針，current指針為當(dāng)前指針，tail指針為尾指針，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 雙向鏈表結(jié)點(diǎn)的圖示結(jié)構(gòu)

圖5 行雙向鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

3 編譯模塊設(shè)計(jì)

3.1 梯形圖到換指令表的轉(zhuǎn)換

由于梯形圖具有形象直觀和易于編程的特點(diǎn)成為PLC最常用編程語(yǔ)言之一，但卻不能被PLC的CPU直接識(shí)別。指令表類似匯編語(yǔ)言，便于底層運(yùn)行系統(tǒng)解釋執(zhí)行。因此，為了使梯形圖被PLC的CPU識(shí)別，可將梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表。有多種方法將梯形圖轉(zhuǎn)換為指令表，本文采用AOV有向圖和串并聯(lián)掃描的方法，該方法相對(duì)其他方法具有效率高、占用空間少、邏輯錯(cuò)誤查找快等優(yōu)點(diǎn)。該方法是梯形圖映射成為AOV有向圖，從而確定各元件后繼和前驅(qū)關(guān)系，再利用串并聯(lián)掃描構(gòu)建邏輯樹(shù)，確定元件之間的邏輯關(guān)系，最后對(duì)邏輯樹(shù)進(jìn)行遍歷，生成指令表。

AOV圖由頂點(diǎn)和弧構(gòu)成，梯形圖則由若干圖元和線段按照一定規(guī)則相互連接而成。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，可以把梯形圖中的圖元看作AOV圖的頂點(diǎn)，圖元之間的連線看作弧，因此就可以實(shí)現(xiàn)梯形圖到AOV的映射[6]。同時(shí)，映射需要在母線和其它聯(lián)結(jié)處加入虛頂點(diǎn)。下面給出一個(gè)梯形圖實(shí)例和對(duì)應(yīng)映射的AOV有向圖，分別如圖6和如圖7所示，其中AOV有向圖中頂點(diǎn)1、2是兩個(gè)虛頂點(diǎn)。

圖6 梯形圖

雖然AOV能描述出各元件的后繼和前驅(qū)的關(guān)系，但是不能描述其邏輯關(guān)系即串并聯(lián)關(guān)系，因此需要進(jìn)一步研究圖元的串并聯(lián)關(guān)系[7]。基于AOV有向圖的串并聯(lián)掃描的步驟如下：

圖7 AOV有向圖

1）對(duì)AOV進(jìn)行掃描，確定串聯(lián)或并聯(lián)關(guān)系；2）對(duì)更新AOV圖進(jìn)行串并聯(lián)掃描，同樣根據(jù)掃描結(jié)果去更新AOV圖；3）重復(fù)執(zhí)行1）和2），直到能夠生成能夠清楚反應(yīng)邏輯關(guān)系邏輯樹(shù)。

以圖7的AOV有向圖為例，I0.0和I0.1是串聯(lián)關(guān)系，可以用串1表示；I0.2和I0.3是串聯(lián)可以用串2表示；I0.5和I0.6串聯(lián)用串3表示；串1、串3、I1.1并聯(lián)可以用并1表示。如此不斷掃描更新，最終建立一棵完整的邏輯樹(shù)如圖8所示。對(duì)邏輯樹(shù)進(jìn)行后序遍歷生成指令表如表1所示。

圖8 串并聯(lián)掃描生產(chǎn)的邏輯樹(shù)

表1 遍歷生成的指令表

3.2 指令表編譯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

指令表雖然是類似匯編的底層語(yǔ)言，但是它編寫(xiě)的程序卻不能被PLC的CPU直接識(shí)別和執(zhí)行。指令表程序在PLC運(yùn)行之前，需要翻譯成CPU能夠識(shí)別的二進(jìn)制代碼[8]。指令表程序翻譯成目標(biāo)機(jī)器可以執(zhí)行的機(jī)器碼，需要經(jīng)過(guò)四個(gè)階段：詞法分析階段、語(yǔ)法分析階段、詞義分析及代碼優(yōu)化階段、目標(biāo)代碼生成階段。編譯過(guò)程如圖7所示。

圖9 指令表編譯過(guò)程

本文采用Flex工具和Bison工具進(jìn)行詞法語(yǔ)法分析。Flex是一種詞法分析程序生成軟件，會(huì)根據(jù)規(guī)則生成一個(gè)Flex文件，該文件由定義段、規(guī)則段和用戶代碼段組成。其結(jié)構(gòu)的格式如下：＜定義段＞、＜語(yǔ)法規(guī)則段＞和＜用戶子程序段＞。定義段包括詞法分析選項(xiàng)、外部變量、宏及函數(shù)聲明、結(jié)構(gòu)定義、開(kāi)始狀態(tài)聲明，名字定義等。規(guī)則段以“%%”開(kāi)始和結(jié)束的，是Flex輸入文件的主干，并且和后面的語(yǔ)法分析密切相關(guān)。規(guī)則段由模式和動(dòng)作組成，模式是匹配單詞的正則表達(dá)，動(dòng)作是掃描指令表源文并識(shí)別出一個(gè)單詞時(shí)，詞法分析程序采取相應(yīng)的行為。

Bison是一種通用目的的語(yǔ)法分析程序生成器，它使用自下而上的向前LALR分析方法造語(yǔ)法樹(shù)，將LALR（1）上下文無(wú)關(guān)文法的描述轉(zhuǎn)化成分析文法的C程序[9]。Bison的語(yǔ)法規(guī)則形式由終結(jié)符和非終結(jié)符組合表示。Bison源程序結(jié)構(gòu)由＜聲明段＞、＜語(yǔ)法規(guī)則段＞和＜用戶子程序段＞三部分組成。聲明段是以“%{”符號(hào)開(kāi)始，以“%}”符號(hào)結(jié)束，定義類型和變量、宏等頭文件以及聲明全局標(biāo)識(shí)符和一些函數(shù)。語(yǔ)法規(guī)則段是由一條或多條規(guī)則組成，每條規(guī)則以分號(hào)結(jié)束。用戶子程序段包含必須的頭文件，定義聲明函數(shù)和其它輔助函數(shù)。

4 梯形圖邏輯檢測(cè)模塊

梯形圖的編輯需要符合編程規(guī)則和邏輯規(guī)則，當(dāng)發(fā)現(xiàn)梯形圖存在邏輯錯(cuò)誤，軟件以框圖的形式向用戶報(bào)錯(cuò)并且向用戶指出錯(cuò)誤的位置和類型[10]。針對(duì)常見(jiàn)邏輯錯(cuò)誤進(jìn)行如下的分類：左右母線直接水平相連，中間沒(méi)有元器件；輸入線圈與左母線直接相連；輸出線圈后面有圖元連接；出現(xiàn)斷路、短路的情況；同一地址輸出線圈多次使用造成邏輯混亂；出現(xiàn)線圈串聯(lián)；功能塊指令缺少輸入和輸出[11]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了利用c++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)軟PLC技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)PLC梯形圖的繪制、邏輯檢錯(cuò)、存儲(chǔ)以及梯形圖到指令表的轉(zhuǎn)換，通過(guò)對(duì)指令表的編譯生成運(yùn)行系統(tǒng)可執(zhí)行的目標(biāo)代碼。本方法采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，使得系統(tǒng)具有易維護(hù)、易擴(kuò)展、效率高的優(yōu)點(diǎn)。